چرا گیربکس‌های هیبریدی دوباره چندسرعته می‌شوند؟

 

به گزارش خبرنگار خودرو تابناک، چند سال قبل تصور غالب در صنعت خودرو این بود که موتور الکتریکی می‌تواند پرونده گیربکس‌های پیچیده را برای همیشه ببندد. موتور برقی از همان لحظه آغاز حرکت گشتاور بالایی در اختیار خودرو قرار می‌دهد و برخلاف موتور احتراقی، برای رسیدن به محدوده مناسب عملکرد الزاماً به مجموعه‌ای از دنده‌های متعدد احتیاج ندارد. به همین دلیل بسیاری از خودرو‌های برقی با یک نسبت ثابت یا گیربکس بسیار ساده حرکت می‌کنند، اما وقتی موتور بنزینی دوباره به معادله برگشت، مهندسان با مسئله‌ای متفاوت روبه‌رو شدند؛ خودروی هیبریدی باید دو جهان را هم‌زمان مدیریت کند، یعنی موتور احتراقی که در شرایط مختلف به نسبت دنده مناسب نیاز دارد و موتور برقی که می‌تواند بخش بزرگی از این نیاز را حذف کند.

 

نتیجه، تولد و گسترش گیربکس‌های Dedicated Hybrid Transmission یا DHT بود. DHT در ظاهر ممکن است شبیه یک گیربکس معمولی باشد، اما در عمل بخشی از یک سیستم مدیریت انرژی است. موتور بنزینی، موتور برقی، باتری، کلاچ‌ها، نسبت‌های مکانیکی و نرم‌افزار همگی باید به‌عنوان یک مجموعه واحد کار کنند و جالب اینجاست که صنعت خودرو هنوز به یک پاسخ واحد درباره تعداد دنده مناسب DHT نرسیده است. برخی سازندگان به سراغ ساختار‌های بسیار ساده رفته‌اند و برخی دیگر دوباره در حال اضافه کردن نسبت‌های مکانیکی هستند.

 

 

موتور احتراقی ذاتاً به محدوده کاری مشخصی وابسته است. اگر دور موتور بیش از حد پایین باشد، قدرت و گشتاور قابل استفاده کاهش پیدا می‌کند و اگر دور بیش از حد بالا برود، مصرف سوخت و استهلاک افزایش می‌یابد. گیربکس وظیفه دارد موتور را در محدوده مناسب نگه دارد؛ در سرعت پایین، دنده کوتاه باعث افزایش نیروی کشش می‌شود و با افزایش سرعت، دنده‌های بالاتر وارد مدار می‌شوند تا دور موتور کاهش پیدا کند. موتور برقی چنین مشکلی را با شدت کمتری دارد و می‌تواند در دور پایین گشتاور بالایی ایجاد کند، بنابراین خودروی تمام‌برقی در بسیاری از موارد بدون گیربکس چندسرعته هم عملکرد مناسبی دارد.

 

اما این ویژگی نباید باعث شود تصور کنیم موتور برقی در تمام سرعت‌ها به یک اندازه بهینه است. با افزایش سرعت، شرایط موتور برقی نیز تغییر می‌کند و طراحی نسبت ثابت باید میان شتاب، مصرف انرژی و سرعت نهایی تعادل ایجاد کند. در یک خودروی هیبریدی، موتور بنزینی نیز وارد این معادله می‌شود و همین‌جا DHT شکل می‌گیرد؛ ممکن است موتور برقی در شروع حرکت خودرو را جلو ببرد و موتور بنزینی خاموش باشد، در سرعت بالاتر موتور احتراقی وارد مدار شود، هنگام شتاب‌گیری هر دو موتور با هم کار کنند و هنگام ترمزگیری موتور برقی نقش ژنراتور را ایفا کند. در تمام این مراحل، گیربکس باید بداند چه نسبتی را انتخاب کند و چه زمانی کلاچ‌ها را درگیر یا آزاد کند.

 

به همین دلیل، گیربکس هیبریدی جدید بیش از آنکه یک جعبه‌دنده سنتی باشد، یک سیستم مدیریت انرژی است. بررسی‌های فنی درباره DHT‌های مورد استفاده در خودرو‌های چینی نیز نشان می‌دهد بسیاری از این سامانه‌ها با تعداد دنده‌های محدود طراحی شده‌اند، چون موتور‌های الکتریکی بخشی از وظایف سنتی گیربکس را بر عهده گرفته‌اند. در عین حال، تفاوت معماری سازندگان باعث شده برخی محصولات از یک نسبت، برخی از دو نسبت و برخی از سه نسبت مکانیکی استفاده کنند.

 

 

 

یکی از اشتباهات رایج هنگام معرفی خودرو‌های هیبریدی این است که تعداد دنده به‌عنوان یک معیار مستقیم برتری فنی معرفی شود، درحالی‌که چنین رابطه‌ای وجود ندارد. افزایش تعداد دنده می‌تواند امکان نگه داشتن موتور احتراقی در محدوده بهینه را افزایش دهد، اما هم‌زمان وزن، هزینه، تعداد قطعات متحرک و پیچیدگی سیستم را هم بیشتر می‌کند. اگر یک سیستم تک‌سرعته بتواند در شرایط واقعی موتور احتراقی را در محدوده مناسب نگه دارد، اضافه کردن دو دنده دیگر ممکن است فایده زیادی نداشته باشد؛ از طرف دیگر، در یک SUV سنگین یا خودرویی که برای رانندگی با سرعت بالا و بار زیاد طراحی شده، نسبت‌های اضافی می‌توانند ارزشمند باشند؛ بنابراین مهندس ابتدا باید هدف خودرو را مشخص کند و بعد درباره تعداد دنده تصمیم بگیرد. یک خودروی شهری سبک با باتری مناسب و موتور برقی قدرتمند، نیاز متفاوتی از یک SUV بزرگ دارد و در خودرو‌های هیبریدی چینی، این مسئله با ورود نرم‌افزار به قلب قوای محرکه پیچیده‌تر شده است. راننده دیگر تصمیم نمی‌گیرد موتور بنزینی چه زمانی روشن شود؛ نرم‌افزار این کار را انجام می‌دهد و باید سرعت خودرو، موقعیت پدال گاز، وضعیت شارژ باتری، دمای موتور، دمای باتری، شیب مسیر و ده‌ها پارامتر دیگر را بررسی کند.

 

اگر راننده ناگهان پدال گاز را فشار دهد، خودرو باید در کسری از ثانیه تصمیم بگیرد از باتری استفاده کند، موتور بنزینی را وارد مدار کند یا هر دو را هم‌زمان به کار بگیرد. اگر این تصمیم درست گرفته شود، راننده فقط یک شتاب طبیعی احساس می‌کند و اگر بد گرفته شود، خودرو ممکن است با تأخیر، افزایش ناگهانی دور موتور یا ضربه در انتقال نیرو پاسخ دهد. اینجاست که تفاوت واقعی میان خودرو‌های هیبریدی مشخص می‌شود؛ ممکن است دو خودرو روی کاغذ قدرت و حجم موتور مشابهی داشته باشند، اما یکی در ترافیک بسیار نرم عمل کند و دیگری مرتب موتور بنزینی را روشن و خاموش کند؛ بنابراین برای بازار ایران، خریدار خودرو‌های هیبریدی باید از پرسیدن سؤال ساده «چند دنده است؟» عبور کند و بداند معماری هیبریدی خودرو چیست، موتور برقی چه توانی دارد، باتری چه ظرفیتی دارد، موتور بنزینی چه زمانی وارد مدار می‌شود، گیربکس چه نقشی در انتقال قدرت دارد و نرم‌افزار مدیریت انرژی چگونه این مجموعه را کنترل می‌کند. حتی تفاوت میان یک هیبرید سری، موازی و DHT می‌تواند بسیار بیشتر از تفاوت میان تعداد دنده‌ها باشد.

 

در هیبرید سری، موتور بنزینی ممکن است عمدتاً نقش تولید برق را داشته باشد. در معماری موازی، موتور احتراقی می‌تواند مستقیماً در انتقال نیرو به چرخ‌ها مشارکت کند و DHT نیز تلاش می‌کند از ترکیب مکانیکی و الکتریکی برای دستیابی به بازده بهتر استفاده کند. صنعت چین در این میان به یکی از مهم‌ترین آزمایشگاه‌های قوای محرکه هیبریدی تبدیل شده است و رقابت شدید خودروسازان چینی باعث شده معماری‌های مختلف با سرعت زیادی وارد بازار شوند و شرکت‌ها به دنبال کاهش هزینه، افزایش برد برقی و بهبود مصرف سوخت باشند.

 

به همین دلیل احتمالاً در سال‌های آینده شاهد یک الگوی واحد نخواهیم بود. برخی خودرو‌ها تک‌سرعته خواهند بود، برخی دو یا سه نسبت خواهند داشت و برخی سیستم‌ها حتی ممکن است برای شرایط خاص از چند نسبت مکانیکی استفاده کنند؛ اما وجه مشترک همه آنها یک چیز خواهد بود: دنده دیگر به‌تنهایی تصمیم‌گیرنده انتقال قدرت نیست. موتور برقی می‌تواند نقش بخشی از گیربکس را ایفا کند، باتری بخشی از انرژی را در خود نگه دارد و نرم‌افزار تعیین کند چه زمانی کدام منبع انرژی وارد مدار شود.

 

بازگشت دنده به خودرو‌های هیبریدی را نباید عقب‌گرد صنعت خودرو دانست. در واقع مهندسان پس از تجربه چند ساله خودرو‌های برقی فهمیده‌اند که موتور الکتریکی بسیاری از محدودیت‌های گیربکس را حذف می‌کند، اما در خودرو‌های هیبریدی هنوز می‌توان با استفاده هوشمندانه از نسبت‌های مکانیکی، موتور احتراقی را در محدوده‌ای کارآمدتر نگه داشت؛ بنابراین جنگ آینده بر سر «تعداد دنده بیشتر» نیست؛ جنگ بر سر این است که کمترین تعداد قطعات مکانیکی چگونه بیشترین بازده را از ترکیب موتور بنزینی و برقی استخراج کند.